基于PID控制的直流电机调速系统设计

基于PID控制的直流电机调速系统【摘要】：在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，PID控制技术应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用霍尔传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。【关键词】:直流电机；单片机；霍尔传感器；PID控制【Abstract】：Inindustrialautomaticcontrolsystemsandavarietyofsmartproductsareoftenusedtodriveelectricmotor,transmissionandcontrol,andmodernintelligentcontrolsystems,motorcontrolrequirementsformoreaccurateandrapidadaptationtotheenvironmenthavebecomeincreasinglydemandinghigh.Withthedevelopmentoftechnology,throughthetransformationofthemotor,therearesomerequirementsofthemotorforvariousapplicationssuchasservomotors,steppermotors,switchedreluctancemotorsandothernon-traditionalmotor.However,insomeofthelessdemandingpositioncontrolmotorcontrolsystemssuchastransmissioncontrolsystems,suchasconventionalDCmotorsisagreatadvantage,buttobepreciseandquickcontrol,weneedacomplexcontrolsystem.Withthedevelopmentofmicroelectronicsandcomputers,PIDcontroltechnologybecomesmorewidespread,digitalcontrolsystem,precisecontrolandsimplehardwareimplementation,subjecttoenvironmentalimpact,functionalcomplexity,systemchangessimple,goodman-machineinterfaceandotherexchangecharacteristics.Thedesignfortheabove-mentionedbasicdigitalPIDcontrolalgorithmforthecontrolofthemicrocontrollercore,producedbythedigitalPIDalgorithmtocontrolthedutycycleofthePWMpulsetoachievetheDCmotorspeedcontrol.AtthesametimetheuseofHallsensorsintopulsefrequencymotorspeedfeedbacktothemicrocontrollertoachieveclosed-loopspeedcontrol,toadjustthespeedofthepurposeofstaticerror-free.【Keywords】：DCmotor;single-chipMicrocomputer;hallpositionsensor;PIDcontrol目录1绪论.............................................................................................................................................11.1本课程的选题背景.................................................................................................................11.2直流电机简介.........................................................................................................................21.3系统开发软硬件概述.............................................................................................................91.4本课题研究的基本内容.......................................................................................................122直流电机PID调速系统设计方案...............................................................................................132.1系统总体设计方案...............................................................................................................132.2系统设计原理.......................................................................................................................283直流电机PID系统硬件设计.......................................................................................................363.1H桥驱动电路设计方案.......................................................................................................363.2调速设计方案.......................................................................................................................373.3系统硬件电路设计...............................................................................................................383.4基于单片机控制流程...........................................................................................................404直流电机PID系统软件设计.......................................................................................................424.1如何应用PID控制电机转速...............................................................................................424.2调速系统主程序原理框图...................................................................................................484.3中断服务程序原理框图.......................................................................................................495结论...........................................................................................................................................516致谢...........................................................................................................................................517参考文献.......................................................................................................................................528附录...........................................................................................................................................53基于PID控制的直流电机调速系统11绪论1.1本课程的选题背景PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前